一起塔机主卷扬钢丝绳破断事件引发的思考

彭旭东

在建筑施工现场,偶有塔机主卷扬钢丝绳破断引起的吊钩坠落事件。吊钩坠落会形成人员伤害或财产损失的严重后果,应高度重视并积极预防。现分析一起因钢丝绳破断引起的吊钩坠落事件(注:没有发生严重后果)。

事件发生在上午刚上班的时间,司机操纵起重机(QTZ5013型塔式起重机)从汽车上吊起钢筋,在下降过程中钢丝绳破断,钢筋和吊钩同时坠落在地面上。当时使用的滑轮组为二倍率,钢丝绳型号为6×19-FC-14-1570,钢筋重量2.5 t,钢丝绳从距端头80 m处破断。

从设备档案得知,钢丝绳使用近9个月;查阅交接班、班前和每月设备安全检查的记录,没有反映钢丝绳的问题。检查滑轮机构,没有发现钢丝绳跳槽后留下的磨痕,各滑轮运转灵活,滑轮槽磨损均匀、没有异常情况,滑轮组上的防脱绳装置良好。观察钢丝绳的破断部位,断头的钢丝按股呈射线散开,破断的每股钢丝不在钢丝绳的同一截面上,每股中的断丝也不在同一截面,钢丝断头呈尖状,所有断头分布在50cm的长度范围。观察钢丝绳没有散开的部位,整根表面被油覆盖;清除表面的油脂,表层钢丝有明显的均匀磨损,磨损量达到其直径的40%或更多,同时发现一些钢丝在磨损最薄弱处有断丝,断头紧贴在每股钢丝里。

通过以上检查,可以认定发生破断的原因是这根钢丝绳出现磨损和疲劳。设计规范中6×19-14-1470型钢丝绳的最小破断拉力为9.5 t左右,使用时钢丝绳的拉力应为1.35×(重物+吊钩)/倍率+通过阻力,小于2.5 t,实际荷载远小于破断拉力的情况下出现破断只能说明,钢丝绳磨损和疲劳后的承载能力已极速降低。按安全规范的检验要求,破断前钢丝绳已处于报废状态,所以这起事件可推断为对钢丝绳的检查不仔细,不安全状态的使用所引起的。

现代建筑工程中施工计划大多为立体、多工种、多作业面同时施工的工作模式。塔机在一项工程每阶段的每天施工中,几乎是不停地运转,各工程阶段间的停用时间也很短,使用频率较高,平均每天的工作时间达到14 h(源至设备的运转记录的统计)。在房屋建筑工程施工中,塔机吊装物件多为钢筋、钢管、模板等周转材料,重量在1 t左右,较重的是2 t的混凝土输送泵,最重的是卸载成捆的钢筋。

起重机械的工作级别是根据单位时间的工作频度和满载率两个指标决定的,起重机各工作机构的工作级别有差异,整机的工作级别是按最高工作级别的机构确定的。统计资料表明起升机构在塔机的使用中频率最高,所以整机的工作级别是按起升机构的工作级别确定的。选配主卷扬钢丝绳,首要依据是起升机构的工作级别,据此确定钢丝绳的安全系数,最后确定钢丝绳的型号、规格。式(1)和表1是钢丝绳直径计算与安全系数的对应关系。

其中,d为钢丝绳最小直径,mm;s为钢丝绳最大静拉力,N;c为选择系数,mm/N1/2。

表1 钢丝绳工作级别与安全系数对应关系表

起重机的工作级别在产品说明书或机构的标牌上有所标示,实际上通过厂家提供的钢丝绳型号和起重性能表,按式(1)和表1可以大致推算出钢丝绳的安全系数和塔机的工作级别。以该塔机型号为例,由起重性能表可知,二倍率时钢丝的静载荷为1.5 t,直径为14,则选择系数有:

则塔机的工作级别应为M7,钢丝绳的安全系数为7。

钢丝绳的选配中还有一项重要指标,即钢丝绳抗疲劳韧性指标。设计规范中把钢丝绳的韧性分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ三个级别,Ⅰ级的用于一般用途钢丝绳(捆绑),Ⅱ级的用于重要用途(起重机械),Ⅲ级的用于特殊用途,如载人电梯等。同时规范中表明,相同直径、抗拉强度且级别不相同的钢丝绳钢丝,它们的抗扭转能力有显著差异,级别高的钢丝的扭转次数明显多于级别低的扭转次数;钢丝绳的韧性指标体现在钢丝绳的具体结构上,相同强度不同直径的钢丝,其弯扭次数差别较大,直径大的明显低于直径小的。一般塔式起重机械大多要求使用Ⅱ级多股或多丝钢丝绳。从钢丝绳与滑轮的接触面来看,同直径、强度的多股绳与滑轮的接触面积相对(与股少丝少比较)较大,其磨损应当缓慢些。塔机选用多股绳,除了提高其使用的安全裕度外,从制造角度看,还能满足高塔施工时防止钢丝绳扭转的要求。

起重机钢丝绳在经过滑轮时,钢丝受到拉、压、弯、扭、摩擦等各种力的作用。实验证明,钢丝绳工作过程中,在相同荷载下,弯曲次数越少,使用寿命越长。塔机滑轮系的结构和工况决定了其主卷扬钢丝绳在使用时将会受到滑轮高频次的弯曲。以该塔机型号为例,钢丝绳经过的滑轮最少 6个,最多时8个,也就是一次起升作业,工作段的钢丝绳就要受到16次弯曲,设以塔机1 h 2个工作循环计算,钢丝绳每月弯曲26880次。因此起重机钢丝绳设计和选用时都注重钢丝绳韧性要求,在安全规程中也强调使用厂家规定的同型钢丝绳应是基于这方面的考虑。由此可以得出结论,两型钢丝绳寿命上的差异还源于抗疲劳指标上的不同。

钢丝绳的破断位置存在随机性,但一个总的趋势,就是弯曲最多的绳段部位,破断的机率较大。塔机使用过程中,钢丝绳的工作段逐渐加长,整根钢丝绳中,各段部位的磨损、疲劳程度不相同,前面的大于后面。

钢丝绳的选用通常应按厂家提供的规格和型号或与其功能相同的钢丝绳。

钢丝绳的直径应与起重机的滑轮相适应,特别是使用过的起重机,不能用直径大的钢丝绳代替原直径小的钢丝绳,否则会引起钢丝绳的异常磨损。

钢丝绳的采购关键的是选择提供合格产品的供应商或生产厂家。有的时候,供应商提供的合格品证明文件与产品的实际品质不相符。曾检查到一根早期损坏的多股钢丝绳,整根钢丝绳大面积脱落出2mm～3mm长的断丝情形。我们还发现过新塔机钢丝绳使用不到2个月,其多股绳直径变小,绳芯损坏的情形或外层钢丝绳松弛。这应当是产品质量的问题。

安装环节包括新钢丝绳的安装和塔机拆卸、转场的安装。这个环节稍有不慎,就会造成钢丝绳的机械损伤(如打结、挤压、打折等)和污染。在钢丝绳的穿绳过程中,容易出现钢丝绳打结或表层钢丝挂断的情形。如滚筒牵引的配合不当,通过滑轮的钢丝绳就容易打结;在放绳过程中,人工牵引与滚筒放绳速度配合不当,瞬间会造成滚筒乱绳,轻则钢丝绳变形,重则严重断股,因此滚筒放绳需专人监视。钢丝绳受到污染(如粘上砂、泥等),砂泥与润滑脂在经过滑轮的过程中,会形成优良的研磨膏,引起钢丝绳的早期磨损。

维护保养环节涉及滑轮组的保养维修和钢丝绳的清洁润滑两方面工作。首先是滑轮必须转动灵活,因此需要对滑轮轴承进行及时的保养润滑;滑轮组中,均有防脱绳装置,这些装置在拆装塔机过程中,如受到损坏应即时恢复,否则可能出现钢丝绳的跳槽;更换滑轮时,滑轮直径应是钢丝绳直径的30倍～40倍,直径小会引起钢丝绳的早期疲劳;定期清理钢丝绳表面的污物,能够减少钢丝绳的磨损,同时对钢丝绳进行仔细检查;钢丝绳的润滑包括对表层钢丝的润滑和里层绳芯的浸润,加热的符合钢丝绳润滑油品质要求的油脂能够满足其内外润滑要求。

使用环节包括对塔机的正确指挥、操作和及时检查两方面工作。吊钩发生着地(或落在作业平台)可能引起钢丝绳打结或挂伤,内力较大的粗钢丝绳会使钢丝绳无法回位;当着地时间稍长,由于塔机起升滚筒上没有压绳器,滚筒上的钢丝绳立刻出现乱绳;当脱绳装置失效时还可能引起跳槽。高塔施工或夜间作业时,现场指挥疏忽或上下交流不清或对讲机串话或操作人员精力不集中等,可能出现吊钩着地。打结是钢丝绳容易出现的现象。打结使钢丝绳内应力严重失衡,致使该部位钢丝较早疲劳。在钢丝绳早期损耗中,打结所占的比例最大,报废钢丝绳的检查过程中,打结过的钢丝绳在断丝、断股部位都会留下打结后过度弯曲的痕迹。跳槽后没有及时纠正并使用塔机,会迅速导致钢丝磨损报废。安全规程要求,操作人员每班作业前应对钢丝绳进行检查,操作中发现异常情况应立即停机向主管领导报告。操作人员只有认真履行检查职责同时掌握钢丝绳报废知识,方能防止本案例中的突发事件。

[1] 刘爱国,安振木,陈剑锋.起重机械安装维修实用技术[M].郑州:河南科学技术出版社,2003.

[2] 建筑起重机标准汇编[M].北京:中国标准出版社,1998.

[3] 王福绵.起重机械技术检验[M].北京:学苑出版社,2000.

[4] 刘 明.浅谈提升系统钢丝绳的使用要求[J].山西建筑,2009,35(4):348-349.